电磁场小论文.doc

摘要随着电力电子技术自动控制技术、测试技术、微机等高新技术的发展, 磁悬浮技术,特别是可控磁悬浮技术取得较大发展, 显示出广阔的应用前景, 可控磁悬浮技术已由宇航军事等领域的应用开始向一般工业应用转化。本论文简要介绍了磁悬浮技术原理的分类方式和应用范畴，首先对电磁吸引控制悬浮（EMS），永久磁铁斥力悬浮（PRS），感应斥力方(EDS)三方面对其原理进行简单介绍，然后对磁悬浮技术的在生活中的应用进行了简单的介绍。关键字：磁悬浮原理 EMS PRS EDS 磁悬浮的应用1.磁悬浮技术原理磁悬浮装置由传感器、控制回路电磁铁、功率放大器等部份组成( 图1) 利用电磁力, 将某些物体无机械接触地悬浮起来, 由传感器检测悬浮体偏差信号, 通过反馈控制回路调节, 发出控制信号, 经功率放大器控制电磁铁中的电流, 从而控制电磁铁产生的磁场和作用于悬浮体的电磁力, 使之保持在正确位置。 图（1）磁悬浮原理图2磁悬浮技术的分类2.1按电磁铁种类可以分为常导吸引型和超导排斥型两大类。2.1.1常导吸引型 常导吸引型磁悬浮列车是以常导磁铁和导轨作为导磁体，用气隙传感器来调节列车与线路之间的悬浮间隙大小，在一般情况下，其悬浮间隙大小在10 mm 左右，这种磁悬浮列车的运行速度通常在300500 km/h 范围内，适合于城际及市郊的交通运输。2.1.2超导排斥型超导排斥型磁悬浮列车是利用超导磁铁和低温技术，来实现列车与线路之间悬浮运行，其悬浮间隙大小一般在100 mm 左右，这种磁悬浮列车低速时并不悬浮，当速度达到100 km/h时才悬浮起来。它的最高运行速度可以达到1 000km/h，当然其建造技术和成本要比常导吸引型磁悬浮列车高得多。2.2按悬浮方式磁悬浮列车按悬浮方式有电磁吸引式悬浮(EMS)和永磁力悬浮(PRS)及感应斥力悬浮方式(EDS)2.2.1电磁吸引控制悬浮方式EMS( Electromagnetic Suspension)电磁吸引控制悬浮方式,如图2( a)。这种方式利用了导磁材料与电磁铁之间的吸引力,几乎绝大部分磁悬浮技术采用该方式。虽然原理上这种吸引力是一种不稳定的力,但通过控制电磁铁电流的大小,可以将悬浮气隙保持在一定的数值上。随着现代控制理论的发展和驱动元器件的高性能、低价格化, EMS方式得到了广泛的应用。在此基础上,也有众多的研究人员提出了把需要大电流励磁的电磁铁部分替换成可控型永久磁铁的方案,并深入地进行了研究和开发工作。该方案可以大幅度地降低励磁损耗,甚至在额定悬浮高度时几乎不需要能量,是一种非常值得注目的新技术。图2（a）EMS方式2.2.2永久磁铁斥力悬浮方式( Permanent Repulsive Suspension)如图2( b) ,这是最简单的一种方案,它利用永久磁铁同极间的斥力, 一般产生的斥力为1kg /cm2 ,所以被称为永久磁铁斥力悬浮方式。当然,根据所用的磁性材料的不同, 其产生的斥力相应变化。但是,由于横向移位的不稳定因素,需要从力学角度安排磁铁的位置。近年来,开始出现了一些采用PRS方式的产品,例如日本1999年4月公开的专利中,就有关于PRS配置方案的内容。随着稀土材料的普及, PRS方式将会被更多地应用于各个领域。 图2（b）PRS方式2.2.3感应斥力方式EDS( ElectrodynamicsSuspension)此方式利用了磁铁或励磁线圈和短路线圈之间产生的斥力,简称感应斥力方式。如图2( c) ,为了得到斥力,励磁线圈和短路线圈之间必须有相对运动。EDS方式的斥力来自相对运动,相对运动的速度越快斥力就越大。而另一方面,斥力又随悬浮气隙变化,气隙越大斥力就越小。因此,在相对运动达到一定速度以上时,斥力与重力会自然地平衡在某个气隙上这种方式主要被应用于超导磁悬浮列车的悬浮装置上。但是,在低速时由于得不到足够的悬浮力,因而需要有车轮来支撑停止或低速时的车身。从原理上而言, EDS很少被应用于低速传动机构。 图2（c）EDS方式3电磁吸引控制悬浮方式EMS列车的运行方式利用装在车辆两侧转向架上的常导电磁铁(悬浮电磁铁)和铺设在线路导轨上的磁铁，在磁场作用下产生的吸引力使车辆浮起，见图3所示。车辆和轨面之间的间隙与吸引力的大小成反比。为了保证这种悬浮的可靠性和列车运行的平稳，使直线电机有较高的功率，必须精确地控制电磁铁中的电流，使磁场保持稳定的强度和悬浮力，使车体与导轨之间保持大约10 mm 的间隙。通常采用测量间隙用的气隙传感器来进行系统的反馈控制。这种悬浮方式不需要设置专用的着地支撑装置和辅助的着地车轮，对控制系统的要求也可以稍低一些。图3 电磁吸引控制悬浮原理图在图2( a)所示的典型电磁悬浮系统中,悬浮物体的上下运动方程式可用式( 1)表示。 （1）同时,励磁电路的电路方程式如式( 2)所示 （2） 式中M 悬浮物体质量 W 悬浮气隙长度 i 励磁电流 电磁铁吸引力系数 外力 e 外加电压 R 励磁绕组电阻 L 励磁绕组电感4磁悬浮在现代工业中的应用4.1磁悬浮轴承磁悬浮轴承(Magnetic Bearing) 是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。其原理是磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空，在固定运转轨道上.与传统的滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。磁悬浮事实上只是一种辅助功能，并非是独立的轴承形式，具体应用还得配合其它的轴承形式，例如磁悬浮+滚珠轴承、磁悬浮+含油轴承、磁悬浮+汽化轴承等等4.2磁悬浮列车对于磁悬浮列车的研究由来已久，其依靠电磁吸力或电磁斥力将列车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触。由于其轨道的磁力使之悬浮在空中，行走时不同于其他列车需要接触地面，因此只受来自空气的阻力。磁悬浮列车的速度可达每小时400公里以上，比轮轨高速列车的380多公里还要快。4.3磁悬浮隔振器由于磁悬浮隔振器的磁场力大小与两个极板之间的距离呈非线性关系，从而使得磁悬浮隔振具有良好的非线性隔振性能。4.4磁悬浮工作台随着对加工和测量装备精度要求的不断提高，有关长行程、超精密运动控制的研究引起了人们越来越多的兴趣。已有研究表明，影响长行程、超精密运动控制精度的最主要因素是摩擦力非线性。而磁悬浮正是一种实现长行程、超精密运动控制的较为理想的方式。5磁悬浮技术的发展前景随着电子元件的集成化以及控制理论和转子动力学的发展，国内外对磁悬浮技术的研究均取得了很大的进展。但不论是在